基于SuperMap GIS的滑坡監測地質體可視化構建

周俊 卞勛生 劉瓊

（海南水文地質工程地質勘察院，海南 海口 571100）

1 引言

滑坡，是指斜坡上的土體或者巖體，受河流沖刷、地下水活動、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下沿著一定的軟弱面或者軟弱帶，整體或者分散地順坡向下滑動的自然現象[1]。運動的巖（土）體稱為變位體或滑移體，未移動的下伏巖（土）體稱為滑床[2]。

目前，滑坡治理及監測、分析與設計主要借助理正等相關的計算分析軟件生成二維勘察成果，進行方案設計和施工、監測工作[3]。傳統的工作方式存在地質成果不直觀、設計方案不精準、施工作業風險高、監測信息 化程度低等弊端，難以有針對性地指導現場動態設計、施工和優化設 計參數，不能滿足施工、運營安全的時效性需求。因此，基于GIS 等新技術研究滑坡監測地質可視化建模應用，實現對滑坡治理設計、施工、監測和 運營使用等各階段數字化無縫集成與展示，具有重要的社會價值和經濟價值。

本文基于SuperMap GIS 新技術，結合作者參與實施的滑坡變形監測工作，研究實現了變形監測所需的地質地層圖形、圖像、表格、文字報告等基本地質地理信息一體化存儲管理，并利用鉆孔及剖面數據建立區域三維地質結構模型，借助三維可視化技術直觀、形象地表達區域地質構造單元的空間展布特征，實現了地質可視化技術的集成與展示。

2 SuperMap 地質可視化優勢

SuperMap GIS 是北京超圖軟件股份有限公司研發的大型GIS 基礎軟件系列，是二、三維一體化的空間數據采集、存儲、管理、分析、處理、制圖與可視化的工具軟件[4]。

傳統的變形監測地質成果局限于二維圖、表，不能形象直觀地描述地層的三維空間位置及不同施工節點時的變形情況[5]。基于SuperMap GIS 軟件可以對變形監測所需的地質地層圖形、圖像、表格、文字報告等形式的基本地質地理信息，進行一體化存儲管理，并利用鉆孔及剖面數據建立區域三維地質結構模型，借助三維可視化技術直觀、形象地表達區域地質構造單元的空間展布特征[6]，如圖1 所示。

圖1 地質體可視化相關功能

SuperMap GIS 地質建模具體優勢如下：

（1）通過后臺構建地質體，支持實時剖切、查看地質體內部；（2）提供基于地質體的一系列實時分析功能，如通過多邊形實時裁剪地質體查看裁剪區域的分布情況 ；提供圓柱體、多邊形等多種類型實時開挖地質體，還能對地質體進行虛擬鉆孔等。（3）針對地質體巖層比較薄的情況，通過Z 方向拉伸處理，能更清晰地觀察地質體巖層的分布情況。（4）還提供了地質體紋理編輯和替換等，將巖層顯示效果替換成真實紋理圖，更直觀地表達巖層內部結構及屬性信息。（5）還能把地質體不同的巖層炸開，方便查看內部結構。

3 技術路線

利用SuperMap GIS 軟件進行地質體建模及應用主要技術流程如下：（1）導入各個地質層已有的鉆孔數據，生成分層的三維地質點數據集；（2）利用“地質體構建”功能，加載數據集，建立地質體模型并保存；（3）創建“地質鉆孔分析”的點數據集，利用“地質鉆孔”功能，自定義設置鉆孔直徑和鉆孔高度，獲得分析結果 ；（4）創建 “地質剖面分析”的線/面數據集，利用 “地質剖面”功能，自定義設置剖面厚度和剖面高度，獲得分析結果。技術路線如圖2 所示。

圖2 技術路線

主要步驟如下：

（1）在SuperMap iDesktop 新建文件型數據源，選擇相應的經度、緯度和高程字段，批量導入各個地質層數據；（2）選擇“地質體構建”項，生成地質分層清晰直觀的地質體模型GeoBodyResult；（3）選擇“地質鉆孔分析”項，生成BoreholeResult分析結果；（4）設置剖面厚度和剖面高度，生成BoreholeResult 分析結果。

4 工程實例

4.1 項目概況

項目地處澄邁縣某廣場北面的斜坡地帶，屬于火山巖風化臺地向南渡江Ⅲ級階地的過渡地貌單元。滑坡體經多次滑動和人為活動，地形總體呈緩坡形態，坡度10°～20°，局部呈平臺形態。勘查區北側滑坡后緣以上為空地，系緩坡地帶，高程93～102m，可見后緣拉裂縫；滑坡體上由于多次滑動形成2 處滑坡平臺和1 處滑坡臺坎，以及多條橫向裂縫，第一處后緣平臺長約45m，寬約15m，高程約87～88m，滑坡臺坎高約0.7～1.80m；第二處平臺長約88m，寬約22m，高程約81～82.5m，主滑體右側的桉樹東倒西歪呈“醉漢林”，其余為緩坡；堆積體部分已被人為清理，滑坡體主滑體前緣部分由人為改造后呈折線斜坡，植草覆面，坡角約30°～50°；滑坡前緣堆積區已被人工清除并修建排水溝，高程約71.2～72.4m，未見縱向裂隙。現場照片如圖3 和圖4 所示。

圖3 滑坡體左側照片

圖4 滑坡體中部照片

項目的地層為第四系松散堆積層（Qml）、玄武巖風化土（Qel）、凝灰巖風化土（Qel）和第四系更新統沖洪積土（Q1al+pl）地層，與工程密切的地層由新至老如下：

（1）人工填土（Q4ml）：除zk2 缺失外，其余鉆孔均有分布，褐紅色，松散狀，欠壓實。主要成分為素填土，滑坡體平臺地段上部局部地段含1.0～2.5m 左右的建筑垃圾，為混凝土塊、碎石堆填；滑坡堆積區部分主要由粘黏性土和中細砂堆填。堆填時間約3 年。揭露厚度0.50～9.40m。

（2）粉質黏土（Qel）：為玄武巖風化土，僅zk1、zk2 有揭露，褐紅色，灰色為主，可塑狀，主要成分為粉黏粒夾風化碎塊，碎塊粒徑2～5cm，呈棱角狀，主要分布于滑坡后緣處，揭露厚度3.60～4.30m。

（3）黏土（Qel）：為凝灰巖風化土。除zk8、zk10、zk14～zk17 缺失外，其余鉆孔均有揭露，黃色，淺黃色，褐紅色，可塑狀，局部硬塑狀，主要成分為粉黏粒，含少量石英質中細粒，局部富集。zk1 未揭穿，已揭穿鉆孔中，揭露厚度0.70～12.20m。在鉆探施工中本層黏土存在遇水縮徑現象，通過膨脹性試驗結果可知，本層粘土為中膨脹潛勢土。

（4）黏土（Q1al+pl）：僅zk8 有揭露，黃色為主，可塑狀，主要成分為黏粒。揭露厚度0.70m。

（5）粗砂（Q1al+pl）：僅zk4、zk6～zk8、zk14～zk15有揭露，黃色為主，稍密-中密狀，稍濕-濕，石英質，亞圓狀，以中粗粒為主，礫次之，局部含少量卵石。揭露厚度0.70～3.50m。

（6）黏土（Q1al+pl）：zk1 未揭露，zk16、zk17 缺失，淺黃色夾淺綠色，可塑狀，主要成分為粉粒和黏粒，局部夾薄層粉砂。揭露厚度0.80～4.30m。

（7）中砂（Q1al+pl）：除滑坡體后緣未揭露外，其余地段均有分布，灰白色為主，中密狀，飽和，石英質，亞圓狀，以中粗粒為主，礫次之。揭露厚度1.00～4.00m。

（8）1粉砂（Q1al+pl）：主要分布在滑坡前緣的左側，橙黃色為主，松散-稍密狀，飽和，石英質以粉粒為主，細粒次之。揭露厚度1.60～2.50m。

（9）粉砂（Q1al+pl）：除滑坡體后緣未揭露外，其余地段均有分布，未揭穿，橙黃色，淺紅色，中密狀，飽和，石英質，以粉細粒為主，中粒次之，局部含團狀黏性土。揭露厚度1.00～11.40m。

（10）粉質黏土（Q1al+pl）：僅zk7、zk17 有揭露，黃色，可塑狀，以粉粘粒為主。揭露厚度1.00～1.40m。

（11）粉砂（Q1al+pl）：僅zk7、zk17 有揭露，淺紅，紫紅色，中密狀，飽和，石英質，亞圓狀，以粉細粒為主。揭露厚度2.00 ～9.40m。代表性工程地質剖面如圖5所示。

圖5 代表性工程地質剖面

4.2 地質建模實現

（1）鉆孔數據分層

需要對鉆孔屬性表格數據分層，形成7 份分層表格數據，各個分層含17 個采樣點。

（2）生成三維地質點數據

將表格數據導入SuperMap iDesktop 數據源，生成三維地質點數據集。

（3）地質體構建

打開“地質體”構建窗口。單擊“三維數據”選項卡中“模型”組中“地質體”下拉按鈕，在彈出的下拉菜單中選擇“地質體構建”。將地質體成果GeoBodyResult 加載到三維場景中顯示。

4.3 地質體可視化構建應用

（1）地質鉆孔分析

“地質鉆孔分析”功能，根據點數據集，通過設置鉆孔參數，實現地質鉆孔分析[7]。地質鉆孔分析中點數據集支持二維點和三維點。使用地質鉆孔分析，可以自定義設置鉆孔直徑和鉆孔高度，實時獲得不同鉆孔參數的分析結果，如圖6 所示。

圖6 地質鉆孔分析效果

單擊 “三維數據”選項卡“模型”組中“地質體”下拉按鈕，在彈出的下拉菜單選擇“地質鉆孔分析”項。

源數據：選擇需要進行地質鉆孔分析的地質體數據集。

鉆孔數據：選擇鉆孔數據集。

參數設置：設置鉆孔直徑和底部高程。

結果設置 ：設置結果數據存儲的數據源和數據集。數據集名稱默認為BoreholeResult，也可自定義輸入。

（2）地質剖面分析

“地質剖面分析”功能，根據剖面數據集，提取獲得指定剖面的地質模型[8]。剖面數據集支持二維線、二維面、三維線和三維面。使用地質剖面分析，可以自定義設置剖面厚度和剖面高度，實時獲得不同剖面的分析結果，如圖7 所示。

圖7 地質剖面分析效果

（3）滑動面分析

根據現場勘查和物探測試結果，滑坡體的裂縫寬度緩慢擴大，前緣出現了局部土體滑動等變形，前緣剪出口位于滑坡體前緣的排水溝處，滑坡大部分 處于蠕動變形階段。分析滑坡結構特征和可能的變形發展情況，采用定量計算進一步判斷其穩定性，變形破壞模式為滑坡體沿人工填土底部圓弧形滑動，破壞模式穩定性計算按瑞典分條法進行[9]。分析效果如圖8所示。

圖8 滑動面分析效果

（4）監測點位布設

根據《崩塌、滑坡、泥石流監測規范》要求，現場開展水平位移監測點、豎向位 移監測點、深層水平位移監測點、地下水位監測點等變形監測工作。滑坡體三維可視化建模完成后，可以快速直觀地在模型上布設各類監測標志。效果如圖9 所示。

圖9 監測點布設效果

地質三維可視化的集成與展示應用，使得本項目的地質情況、地層分層線、地下水位線、滑動面等多種類型信息更加直觀，并且可以在三維可視化成果基礎上快速布設各類監測點位，為后續各類監測數據成果、分析結果、預警預報、風險研判等設計施工、安全保障工作提供技術支撐[10]。

5 總結與展望

本文基于SuperMap GIS，結合三維GIS 技術與滑坡變形監測需求，實現了滑坡地質三維可視化建模，有效提升滑坡變形監測的信息化程度，目前已經在部分項目中成功進行集成與展示應用。今后將進一步在滑坡監測穩定性分析、三維建模、BIM 應用等方面加強研究，生產更高質量、多屬性、美觀度高的模型，提高變形監測工作的可靠性、準確性和規范化水平，為滑坡監測施工與運營管理提供更新的方法和手段，加快GIS 技術在滑坡變形監測領域的推廣應用[11]。